实验二 双频激光干涉实验

实验二 双频激光干涉实验
一、 实验目的
了解双频激光干涉测量原理，设计测量长度与角度的干涉系统，并且比较一般干涉测量与双频激光干涉测量的异同。

二、 实验原理
1. 测长原理如图1所示：
其中L1 为稳频的激光器，Mm 、Mr 为两个全反射组件，P1、P2 为检偏器，D1、D2 为光电探测 器。

Mm 固定在被测物体上。

输出激光含频差为f ∆的两正交线偏振光分量1f 、2f 。

输出光经分光镜 BS 后，一 部分光被反射，经检偏器 P 1, 两频率分量干涉产生拍频，该信号被光电探测器D1 接 收，形成参考信号 Sr 。

透射光经线性干涉仪后，1f 、2f 被分开， 1f 进入参考臂，2f 进入测量臂，由两角锥棱镜反射返回后，在线性干涉仪上会合，经检偏器 P2 后发生干 涉，光电探测器 D2 接收干涉信号，形成测量信号 Sm 。

此时如果测量镜以速度v 移动，则1f 的返回光频率发生变化，成为1D f f +∆,D f ∆为多普勒频差，1D f f +∆通过线性干涉仪与2f 的返回光会合，经检偏后，其拍频被光电 探测器 D2 接收，Sr ，Sm 经前置放大后进入计算机进行计数。

计算机对两路信号进行比较，计算其差值±D f ∆。

进而按下式计算动镜的速度ϑ和移动的距离得出所测的长度 L 。

设在测量中动镜的移动速度v （这里v 可以随时间变化），则由多普勒效应引起的频差变化为：
122
D v v f f c λ∆== (1-1) 式中：1f 激光频率，c 光速，λ波长，D f ∆为动镜移动时，由它反射回来的光频率 的
变化量，也就是经计算机比较计算出来的两路信号的差值。

设动镜的移动距离为D ，时间为t 则：
000()222
t t t D D D vdt f dt f dt N λλλε==∆⋅=∆⋅=+⎰⎰⎰ (1-2)
N ε+为测量过程中动镜下的条纹数（N 为整数部分，ε为小数部分）。

00()t t
D D N f dt f dt ε+=∆⋅=∆⋅∑⎰ （1-3）
所以，位移D 的计算公式为：
()2D N λε=
+ (1-4)
2. 测角原理如图2所示：
如图，基于正弦尺的原理，利用角度干涉仪和角度靶镜，双频激光干涉仪就可以进行角度测量。

其干涉光路的工作原理和测长的相似，只不过测量的位移变成了两个角锥棱镜的相对位置变化—D 。

于是，在小角度的情况下，我们得到角度测量结果（弧度）为：
D L
α=
(1-5)
三、 实验步骤 1． 在实验箱中找出需要用的零部件（不用的不要拿出）：
（1） P T-1105C 激光头、（2）PT-1303C 高速接收器、（3）PT-1201A 线性干涉仪、（4）
PT-1202A 全反射组件、（5）PT-1210A 角度干涉组件、（6）角度靶镜、（7）
PT-1801B 通用调节架、（8）连接电缆
各部件外形图如下所示：
图3 各部件外形图
2．长度（位移）测量：
在平台上搭建测量光路，参考光路如下：
图4长度（位移）测量参考光路
光路搭建时每个光学元件都要保持同轴，完成光路搭建后，运行测量软件即可进行长度（位移）测量。

3．角度测量：
在平台上搭建测量光路，参考光路如下：
图5 俯仰角测量光路
图6 偏摆角测量光路
光路搭建时每个光学元件都要保持同轴，完成光路搭建后，运行测量软件即可进行俯仰角和偏摆角的测量。

四、实验过程
1、长度（位移）测量实际光路
2、俯仰角测量实际光路
3、偏摆角测量实际光路
3.使用机械臂做验证测量
五、实验结果分析
实验完成后对测量结果进行分析，比较双频激光干涉测量与普通激光干涉测量有什么不同？各有什么优缺点？
答：普通激光干涉测量它的一个根本弱点就是受环境影响严重，在测试环境恶劣，测量距离较长时，这一缺点十分突出。

其原因在于它是一种直流测量系统，必然具有直流光平和电平零漂的弊端。

激光干涉仪可动反光镜移动时，光电接收器会输出信号，如果信号超过了计数器的触发电平则就会被记录下来，而如果激光束强度发生变化，就有可能使光电信号低于计数器的触发电平而使计数器停止计数，使激光器强度或干涉信号强度变化的主要原因是空气湍流，机床油雾，切削屑对光束的影响，结果光束发生偏移或波面扭曲。

这种无规则的变化较难通过触发电平的自动调整来补偿，因而限制了单频干涉仪的应用范围，只有设法用交流测量系统代替直流测量系统才能从根本上克服单频激光干涉仪的这一弱点。

而双频激光干涉仪正好克服了这一弱点，它是在单频激光干涉仪的基础上发展的一种外差式干涉仪。

和单频激光干涉仪一样，双频激光干涉仪也是一种以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器，所不同者，一方面是当可动棱镜不动时，前者的干涉信号是介于最亮和最暗之间的某个直流光平，而后者的干涉信号是一个频率约为1.5MHz的交流信号；另一方面，当可动棱镜移动时，前者的干涉信号是在最亮和最暗之间缓慢变化的信号，而后者的干涉信号是使原有的交流信号频率增加或减少了△f，结果依然是一个交流信号。

因而对于双频激光干涉仪来说，可用放大倍数较大的交流放大器对干涉信号进行放大，这样，即使光强衰减90%，依然可以得到合适的电信号。

由于这一特点，双频激光干涉仪可以在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等，也可以在普通车间内为大型机床的刻度进行标定，既可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等微小运动进行精密测量，既可以对几何量如长度、角度．直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。

总之，双频激光干涉仪的优越性主要有以下几点：
1. 精度高双频激光干涉仪以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器。

即使不做细分也可达到μm 量级，细分后更可达到n m量级。

2. 应用范围广双频激光干涉仪除了可用于长度的精密测量外，测量角度、直线度、平面度、振动距离及速度等等，还可以分光进行多路测量。

3. 环境适应力强即使光强衰减90%，仍然可以得到有效的干涉信号。

由于这一特点，双频激光干涉仪既可在恒温、恒湿、防震的计量室内检定量块、量杆、刻尺、微分校准器和坐标测量机，也可以在普通的车间内为大型的机床的刻度进行标定。